马 建 (中铁信弘远（北京）软件科技有限责任公司 高级工程师，北京 100038)
摘 要：为了削减物联网中的数字签名计划的核算开支，保护灵敏签名内容，在剖析物联网的安全需求的根底 上，依据SM2算法，提出物联网安全数字签名计划。经过运用高效安全的对称加密算法，确保了签名内容的机 密性；运用椭圆曲线进行结构，提高了计划的核算功率，可以满意物联网环境中轻量化要求。剖析标明，该方 案具有音讯的保密性、完好性、抗否定性和抗假造型等特色。
关键词：物联网；安全；SM2；数字签名；隐私保护
0 导言
物联网（IoT）是由相互衔接的物体、服务、人员 和设备构成的调集，可以完成不同范畴的信息交互及数 据同享。物联网有许多应用范畴，从个别环境到企业环 境[1]。近年来，因为射频辨认（RFID）和无线传感器网 络（WSN）技能的前进，物联网得到飞速开展。尽管 物联网给人们日子带了了便当，但与传统的互联网体系 相似，各种安全进犯随之而来，严重影响了物联网开展 和人们的隐私安全。
本文首要剖析物联网的安全需求，然后介绍了结构 根底SM2数字签名计划，并给出了安全数字签名的详细 结构，最终进行了安全性剖析。
1 相关根底
1.1 物联网安全需求
物联网的根本安全方针包含通用网络体系中的秘要 性，完好性和可用性。可是，物联网因为设备的异构 性、核算和通讯资源受限等问题，也使其具有通用体系 不一样的安全问题。物联网面对的安全应战可大致分为两大类：结构性应战和安全性应战[2]。结构性应战源于 物联网本身的异构性和泛在性，安全性应战与体系的原 理、功用相关，其根本方针便是运用强制机制构建安全 网络。处理结构性应战一般需求考虑无线通讯、可扩展 性、能量和散布结构等要素，而处理安全应战则需求考 虑身份验证、秘要性、端到端安全性、完好性等问题， 安全机制有必要强制贯穿于从体系开发到运营的全生命周 期[3]。
常见的安全需求包含：一切物联网设备上运转的 软件须经过授权；在敞开IoT设备进行数据搜集和发送 前，网络有必要对其对进行身份验证；因为物联网设备计 算与存储资源受限，有必要运用防火墙网络以过滤定向 到设备的数据包；物联网设备的更新和补丁应为以不增 加额定带宽耗费的方法装置。
整体而言，物联网的安全需求包含以下几个方面。
1）秘要性
确保数据安全且仅可供授权用户运用。在物联网 中，用户可以是人、机器、服务、内部方针（网络中的 设备）和外部方针（非网络中的设备）。例如，有必要确保传感器不会将其搜集到的数据泄漏给邻近节点[4]。另 一个考虑的秘要性问题是怎么办理数据，重要的是物联 网用户要意识到数据办理机制应用于进程或人员办理， 确保数据全程遭到保护[5]。
2）完好性
因为物联网依据许多不同设备之间交流数据，因而 有必要确保数据的准确性；数据是来自正确的发件人，并 确保数据在传输中未被篡改数据，或被有意、无意地干 扰。尽管可以经过运用防火墙和协议来办理数据流量， 但因为物联网节点核算和通讯资源受限，并不能确保端 点的安全性，所以有必要考虑其他机制以完成完好性。
3）可用性
物联网的愿景是衔接尽或许多的智能设备，以完成 物联网用户一切数据随时可用。可是，数据不是物联网 的仅有部分，设备和相关服务有必要也可以在需求时随时 拜访。支撑可用性的方法既或许需求运用容错机制等通 用方法，也需求考虑依据暗码学的机制。
4）可认证性
物联网中的每个方针都应该可以被其他方针辨认和 辨别，但因为物联网本身的特性使得辨认和辨别具有挑 战性，这其间会涉及到设备、人、服务提供商等多品种 型的实体，规划的辨别机制需求兼容异构体系的各种实 体类型。此外，也需求考虑到有时方针或许需求与其他 事前没有同享信息的实体进行交互等特别场景[6]。
5）轻量化
除了惯例的安全方针，考虑到物联网节点一般为资 源受限设备，所以轻量化也是规划安全机制需求考虑 的要素。因而，在规划和完成相应的加密、认证、完好 性验证等协议或算法时，要尽或许运用核算资源耗费较 小的计划，直接将传统的安全计划套用在物联网中并不 可取。
1.2 SM2数字签密算法
SM2数字签名算法[7]包含密钥发生、签名生成、签 名验证3个算法：
● 密钥发生
1) 随机选取隐秘d 
；
2) 核算 , 并将 P=dG 作为公钥揭露，d 作为私钥保存。
● 签名生成
3) 签名者选取随机数
，核算
。
4) 核算 
，其间 m 是 待签名的音讯，Hash为单向哈希函数；若 r= 0 或r+ k=q，则从头选取随机数k。
5) 核算
；若s= 0， 则从头选取随机数k；不然，将r, s作为签名成果。
● 签名验证
6) 验证者接收到m和r，s后，先查看是否满意
然后核算
7) 核算 
判别r与是否持平，若二者持平则签名验证经过，不然验证失利。
2 依据SM2的物联网安全签名计划
假定物联网中的某节点A需求对音讯m进行签名， 然后发给另一节点B验证。一起，音讯m内容归于灵敏 信息，因而m不能泄漏给第三方。传输的网络为非安全 网络，因而传输进程中或许存在各品种型的进犯者，方 案的体系模型如图1所示。
为了完成可以保护音讯内容的签名，本文规划了基 于SM2数字签名计划。在计划中，除了物联网节点外，还有1个可信第三方——密钥生成中心(KGC)，首要负 责注册保护各个节点的公钥，物联网中的一切节点在加 入体系时首要向KGC提交公钥和其他必要信息进行注 册。本计划的算法依据SM2数字签名算法进行结构，因 此与SM2数字签名算法相似，包含体系初始化、密钥生 成、签名生成、签名验证4个过程，详细如下。
1）体系初始化
首要挑选1个大于160位的大素数p，然后挑选一条 椭圆曲线
，挑选阶为 n的基点(生成元)G。挑选1个安全的对称加密算法，如 SM4，为描绘便利起见，本计划中简写为E，对应的解 密算法为D。挑选一个安全的hash函数，如SM3，本方 案中简记为H。
2）密钥生成
A随机挑选 
作为其私钥，并核算其公钥PA=dAG；B随机挑选
作为其私钥，并 核算其公钥PB=dBG。然后，A和B别离在KGC中进行 注册。
3）签名生成
设待签名的音讯为m，A将对其进行签名并发送给B 进行验证。
A随机挑选
，然后别离核算
则关于音讯m的签名为 
，A将 σ 发送 给B。
4）签名验证
B收到 σ 后，首要别离核算
判别r与r1是否持平，假如持平则承受该签名。
3 计划剖析
1) 完好性
因为在本计划中运用了安全哈希函数H，假如音讯 m在加密进程中损坏，或许在签名传输进程中Cm遭到损 坏，那么验证者B核算出的m1与m不相同，依据哈希函 数的抗磕碰原理，得出的哈希值必定不同，从而导致r 与r1不持平，签名验证无法经过。因而，本计划的完好 性得到确保。
2) 秘要性
本计划的首要方针便是确保签名内容的秘要性，即 除了设定的验证者B外的其他任何实体，都无法获悉 σ 中的签名音讯m。事实上，若进犯者经过 σ 来揣度其 对应的音讯m，最直接的方法便是经过破解Cm 来推导 m，但本计划中选用的是如SM4等安全对称加密算法， 因而，进犯者的无法在有用时间内推导出加密内容m。
3) 不行否定性
假如A企图对其关于m的签名 σ 进行否定，因为本 计划中依据SM2签名计划进行结构，因而本计划可以 满意存在性不行假造特性，除了A以外的任何人都不行 能假造出另一个与m不同的音讯m* ，使其签名为 σ 。 因而，A不能对其生成的关于m的签名 σ 进行否定。据 此，本计划完成了不行否定性。
4) 轻量化
本签名计划依据SM2数字签名计划进行结构，而 SM2数字签名计划依据安全椭圆曲线完成。众所周知， 椭圆曲线暗码具有极高的核算功率，在椭圆曲线暗码算 法中运用160位的密钥，即可取得相当于RSA中的1 024 位密钥的安全强度。因而，本计划具有轻量级特色，适 用于物联网环境。
4 定论
本文在剖析物联网的安全需求的根底上，考虑到物 联网环境中节点核算与通讯资源受限、节点动态改变等 特色，依据SM2算法结构了一种安全数字签名计划。方 案运用高效安全的对称加密算法确保签名内容的秘要 性，依据SM2的签名确保了计划的高效性，因而，本方 案彻底适用于物联网环境下对灵敏内容进行数字签名的安全需求。
参考文献：
[1] SAMIE F, BAUER L, HENKEL J. IoT technologies for embedded computing: A survey[C].Proceedings of the Eleventh IEEE/ACM/IFIP International Conference on Hardware/Software Codesign and System Synthesis. ACM, 2016: 8.
[2] MAHALLE P N, ANGGOROJATI B, PRASAD N R, et al. Identity authentication and capability based access control (iacac) for the internet of things. J. of Cyber Security and Mobility, 2013,1:309-348.
[3] LEO M, BATTISTI F, CARLI M, et al. A federated architecture approach for Internet of Things security[C].Euro Med Telco Conference (EMTC),15,2014.
[4] FAROOQ M, WASEEM M, KHAIRI A, et al. A Critical Analysis on the Security Concerns of Internet of Things (IoT). Perception, vol. 111, 2015.
[5] KHAN M A, SALAH K. IoT security: Review, blockchain solutions, and open challenges[J]. Future Generation Computer Systems, 2018,(82):395-411.
[6] ROMAN R, ZHOU J, LOPEZ J. On the features and challenges of security and privacy in distributed internet of things.ComputerNetworks, 2013,57:22662279.
[7] 尚铭,马原,林璟锵,等. SM2椭圆曲 线门限暗码算法[J]. 暗码学报, 2014, 1(2):155–166.
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第03期第27页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
